Ban nhạc từng trình diễn "City of Angels" lần đầu tiên trong các buổi trình diễn đặc biệt mang tên "Church of Mars"[lower-alpha 9] ngay trước khi ra mắt album.[78] Ca khúc cũng trở thành một phần nhạc dạo của Love, Lust, Faith and Dreams Tour diễn ra sau đó. Trong ba chặng đầu tiên của tour diễn, bài hát thường được thể hiện cùng các nhạc công chơi trống taiko.[79] "Màn hình sân khấu đã trình chiếu các cảnh quay từ trong video âm nhạc của ca khúc trong đó sân khấu còn có màn treo video LED. Những người hâm mộ và giới phê bình còn nhận xét ca khúc rất tích cực trong buổi trình diễn nhạc sống. Curtis Sindrey, biên tập viên tạp chí Aesthetic Magazine Toronto nhận định rằng ban nhạc dường như đã "tiếp thêm năng lượng" với những bài hát như "City of Angels".[80] Ben Jolley từ Nottingham Post cảm nhận được "sức truyền cảm", trong khi Jay Cridlin từ Tampa Bay Times lại ví ca khúc như một bản "thiên anh hùng ca".[81] Thirty Seconds to Mars đã biểu diễn "City of Angels" trong những tiết mục tiêu điểm tại nhiều lễ hội lớn như Rock Werchter, Pinkpop và Rock am Ring and Rock im Park.[82]

Ngày 1 tháng 5 năm 2014, phiên bản piano của ca khúc được trình diễn tại Giải thưởng Âm nhạc iHeartRadio năm 2014 tổ chức tại hội trường Shrine Auditorium, Los Angeles. Shannon Leto đã không thể có mặt trong buổi lễ này nên ca khúc do Jared Leto và Tomo Miličević thể hiện; và họ đã đứng trước nhiều màn hình to nhỏ khác nhau khi các màn hình này đang trình chiếu các cảnh từ video nhạc của ca khúc.[83] Buổi biểu diễn đã nhận được sự tán dương đặc biệt từ phía người xem, Jessica Hyndman từ MTV còn đánh giá đây là điểm nhấn của chương trình.[84] Một nhà báo viết cho Digital Journal nhận xét rằng ban nhạc đã thực hiện "một màn thể hiện phi thường" cho ca khúc và biểu lộ "sự quyến rũ ma mị cùng năng lượng khổng lồ có thể so sánh với một buổi hòa nhạc của U2".[83] "City of Angels" cũng nằm trong danh sách tiết mục biểu diễn của Carnivores Tour–chuyến lưu diễn mà ban nhạc Thirty Seconds to Mar hợp tác với Linkin Park; bài hát thường nổi nhạc lên khi buổi diễn đã đi gần nửa chặng.[85]